不间断电源@@ (UPS) 和@@其他基于电池@@的@@储能系统@@可以确保住宅@@、电信设施@@、数据中心@@、工业设备@@@@、医疗设备@@和@@其他关键设备@@的@@持续供电@@。凭借先进的@@半导体技术@@@@，这些系统@@能够确保可靠供电@@，提供滤波功能@@，并在@@发生短期电网@@断电时保障供电@@。对于更长时间的@@停电@@，这些系统@@可以提供@@足够的@@时间让关键设备@@安全地关闭@@。
以下设计诀窍可帮助您设计@@ UPS 或@@其他电池@@储能系统@@@@，以利用电池@@和@@半导体技术@@的@@不断进步@@，应对越来越多的@@新兴用例@@。
了解具体用例@@
我们通常@@根据输出@@功率@@对@@ UPS 系统@@进行@@分类@@，因为@@这是确定所需规模的@@有效方式@@。输出@@功率@@低于@@ 10 kVA 的@@ UPS 系统@@一般体积小且价格低廉@@，最常见于对供电要求不高的@@小型@@/家庭办公室和@@个人工作站@@，尤其适合@@ PC、打印机和@@照明@@。在@@中型企业的@@数据中心@@@@，通常@@可以看到一个或@@多个机柜@@，其中安装有数个模块@@化@@@@ UPS，每个@@ UPS 可以提供@@ 10 kVA-50 kVA 的@@输出@@功率@@@@。模块@@化@@ UPS 在@@数据中心@@中越来越常见@@，因为@@它设计紧凑且可扩展@@。集成多个模块@@就可以提供@@更高的@@功率@@输出@@@@，相当于一个大型@@ UPS，而且即使其中一个模块@@发生故障@@，也不会导致整个系统@@停止运行@@@@。如果需要支持@@ 50 kVA 以上的@@@@ UPS 系统@@，可能需要更多的@@空间@@来安置设备@@@@。这种系统@@的@@尺寸@@较大@@，对空间@@的@@限制也更严格@@，因为@@需要更大的@@无源组件@@、电池@@组和@@散热风扇来解决散热问题@@@@。
目前@@，UPS 制造商正在@@设计输出@@容量超过@@ 100 kVA 的@@模块@@化@@@@ UPS。在@@不改变空间@@布局的@@情况下获得更多功率@@固然很好@@，但这也会给现今的@@@@ UPS 设计带来更多挑战@@。
UPS的@@三种类型@@
UPS 有两个版本@@：离线式@@和@@在@@线式@@@@。对于离线式@@@@ UPS，负载通常@@直接连接到交流电源@@，只有在@@发生停电或@@干扰时才会切换到@@ UPS。完成切换需要大约@@ 10 ms，因此@@使用离线式@@@@ UPS 来保护工业设施并不安全@@。在@@线互动式@@ UPS 是另一种离线式@@@@ UPS，它可以根据需要通过升高或@@降低@@市电电压来主动调节电压@@，然后再将其传递给受保护的@@负载@@。通过这种方式@@，在@@线互动式@@ UPS 可以充当电压优化器并具有更长的@@使用寿命@@，因为@@电池@@模式不会经常激活@@。
对于在@@线式@@@@ UPS，负载始终连接到@@ UPS 的@@ DC/AC 逆变器上@@，消除了切换延迟@@。同样@@，带有双向充电器的@@电池@@储能系统@@可以在@@交流输入中断时提供连续@@、无缝的@@供电@@。在@@这三种类型中@@，在@@线式@@ UPS 价格最高@@，但它可以解决最多的@@供电问题@@并提供最高质量的@@输出@@@@，因而也最适合高灵敏度设备@@@@、数据中心@@和@@其他关键设备@@@@。
图@@ 1.离线式@@ UPS
图@@ 2.在@@线式@@ UPS
UPS的@@具体规格@@
1. 尺寸@@
考虑到@@ UPS 的@@总拥有成本@@，我们绝不能忽视安装@@、运输和@@维护所花费的@@金钱和@@时间@@。在@@ UPS 内部@@，电池@@、变压器@@、散热风扇和@@散热片占据了最多的@@空间@@@@。但由于半导体技术@@的@@进步@@，我们现@@ 在@@可以看到无变压器@@的@@@@ UPS 模块@@，每个@@模块@@可以产生@@ 200 kVA 的@@输出@@功率@@@@，并联安装在@@@@ 200 x 60 x 60 cm 的@@机柜中@@，以保护您的@@数据和@@设备@@@@。安森美@@ (onsemi) 可以为@@您提供具有高开关频@@ 率@@、低损耗@@和@@高工作电压的@@先进产品@@，有效降低@@无源组件的@@发热和@@尺寸@@@@。
2. 输入调节@@
在@@线式@@ UPS 中的@@双重转换解决了@@ 90% 的@@输入电源问题@@@@，在@@线互动式@@ UPS 次之@@，而离线式@@@@ UPS 必须在@@发生输入异常后才切换到电池@@模式@@。在@@线式@@和@@在@@线互动式@@@@ UPS 都可以对输入电压进@@ 行@@ ±20% 的@@调节@@，降低@@电池@@模式启动的@@频率@@@@，但原理不同@@。在@@线互动式@@ UPS 使用变压器@@抽头@@，而在@@线式@@@@ UPS 通过高频@@ PWM（20 kHz-40 kHz）来优化电压@@。这就是在@@线式@@@@ UPS 能产生最佳输出@@的@@原因@@。
3. 输出@@
逆变器决定了@@ UPS 系统@@的@@输出@@性能@@。像市电电源这样的@@正弦波输出@@始终是避免损坏灵敏设备@@的@@理想选择@@（输出@@误差比较@@：在@@线式@@ UPS 为@@ ±1.5%，离线式@@ UPS 为@@ ±10%）。要产生纯正弦波@@，我们需要@@ IGBT/MOSFET 来构成高频运行@@的@@逆变器@@，并形成优化的@@拓扑结构以减少高频开关产生的@@噪声@@/损耗@@/EMI。两电平或@@三电平@@拓扑结构极大地影响性能@@，主要取决于开关和@@二极管@@中的@@开关损耗@@以及电感器的@@高频损耗@@和@@@@ EMI 问题@@。然而拓扑的@@选择取决于许多方面@@，比如器件成本@@、控制成本@@、空间@@成本等等@@。
图@@ 3.单电平或@@两电平开关原理@@
图@@ 4.两电平或@@三电平@@开关原理@@
4. 电源管理@@
用于高压系统@@的@@电池@@组被堆叠起来@@，形成一个带有电池@@管理模块@@的@@串@@，几个电池@@组串置于一个集装箱中@@，其中包括一个主电池@@管理模块@@@@。电池@@管理功能包括负载平衡@@、电压和@@电流保护@@、串连接和@@断开@@、充电和@@放电控制@@、热管理@@、风扇控制@@、监控和@@通信@@。用于电池@@管理的@@器件包括低压@@MOSFET、电流检测器@@、运算放大器@@、隔离器@@、eFuses 熔断器@@、保护二极管@@@@、高压开关和@@智能功率@@模块@@@@ (IPM)。
性能取决于拓扑结构@@
如上一部分所述@@，拓扑结构对性能影响重大@@。使用三电平@@拓扑结构有三个优点@@。首先@@，开关损耗@@更低@@。通常@@，开关损耗@@与@@施加到开关和@@二极管@@的@@电压的@@二次方成正比@@（V2switch or diode）。在@@三电平@@拓扑结构中@@，只有一半的@@总输出@@电压被施加到@@（一些@@）开关或@@@@（一些@@）二极管@@。
其次@@，升压电感器中的@@电流纹波更小@@。对于相同的@@电感值@@，施加到电感器的@@峰峰值电压也是三电平@@拓扑结构中总输出@@电压的@@一半@@。这使得电流纹波更小@@，更容易使用更小的@@电感器进行@@滤波@@，从而实现更紧凑的@@电感器设计并降低@@成本@@。此外@@，部分电感器损耗@@与@@电流纹波成正比@@。因此@@，较低的@@电流纹波将有助于减少电感器中的@@损耗@@@@。最后@@，EMI 降低@@，而传导@@ EMI 主要与@@电流纹波有关@@。三电平@@拓扑结构减少了电流纹波@@，使滤波更容易并产生更低的@@传导@@ EMI。同时@@，在@@电磁辐射方面也有好处@@。
EMI 与@@ dV/dt 和@@ dI/dt 相关@@。首先@@，三电平@@拓扑结构降低@@了峰峰值开关电压@@，使得开关节点印刷电路板走线辐射的@@电场更小@@。其次@@，三电平@@拓扑结构减少了峰峰值开关电流@@，使得开关功率@@级环路中辐射的@@磁场更小@@。
图@@ 5.三电平@@ T-NPC PFC
图@@ 6.两电平有源前端@@（Active Front End）PFC
希望以上这些内容可以在@@实际设计过程中对大家有所帮助@@，后续的@@文章我们将带大家了解在@@设计稳健的@@@@ UPS 系统@@时@@，采用基于碳化硅@@ (SiC) 的@@功率@@器件对于减少功率@@损耗@@@@、提高@@功率@@密度和@@降低@@散热成本将起着哪些至关重要的@@作用@@。
文章来源@@：安森美@@